丙烯—丙烷板式精馏塔设计

大型作业报告（2010/2011学年第二学期）课程名称化工原理课程设计学生学号院（系）专业班级时间学生指导教师:_2011年1月13日前言化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质.芳香族化合物是化工生产中的重要的原材料，而苯和甲苯是各有其重要作用。苯是化工工业和医药工业的重要基本原料，可用来制备染料，树脂，农药，合成药物，合成橡胶，合成纤维和洗涤剂等等；甲苯不仅是有机化工合成的优良溶剂，而且可以合成异氰酸酯，甲酚等化工产品，同时也可以用来制造三硝基甲苯，苯甲酸，对苯二甲酸，防腐剂，染料，泡沫塑料，合成纤维等。精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量计的驱动下，使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本次设计任务为设计一定处理量的精馏塔，实现苯——甲苯的分离。苯——甲苯体系比较容易分离，待处理料液清洁。因此用筛板塔。筛板塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，筛板塔具有下列优点：生产能力（20%——40%）塔板效率（10%——50%）而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。本课程设计的主要内容是过程的物料衡算，热量衡算，工艺计算，结构设计和校核。目录第一节：标题丙烯—丙烷板式精馏塔设计第二节：丙烯—丙烷板式精馏塔设计任务书第三节：精馏方案简介第四节：精馏工艺流程草图及说明第五节：精馏工艺计算及主体设备设计第六节：辅助设备的计算及选型第七节：设计结果一览表第八节：对本设计的评述第九节：工艺流程简图第十节：参考文献第一节设计题目丙烯—丙烷板式精馏塔设计第二节任务书处理量：64kmol/h产品质量：进料65%塔顶产品98%塔底产品2%1、工艺条件：丙烯—丙烷饱和液体进料进料丙烯含量65%(摩尔百分数)塔顶丙烯含量98%釜液丙烯含量2%总板效率为0.62、操作条件：塔顶操作压力1.62MPa(表压)加热剂及加热方法：加热剂——热水加热方法——间壁换热冷却剂：循环冷却水回流比系数：1.21.41.63、塔板形式：浮阀4、处理量：F=64kml/h5、安装地点：广东中山火炬开发区6、塔板设计位置：塔顶第三节精馏方案简介(1)精馏塔的物料衡算；(2)塔板数的确定：(3)精馏塔的工艺条件及有关物件数据的计算；(4)精馏塔的塔体工艺尺寸计算；(5)塔板主要工艺尺寸的计算；(6)塔板的流体力学验算：(7)塔板负荷性能图；(8)精馏塔接管尺寸计算；(9)绘制生产工艺流程图；(10)绘制精馏塔设计条件图；(11)对设计过程的评述和有关问题的讨论。设计方案的确定及工艺流程的说明原料液由泵从原料储罐中引出，在预热器中预热至84℃后送入连续板式精馏塔（筛板塔），塔顶上升蒸汽流采用强制循环式列管全凝器冷凝后一部分作为回流液，其余作为产品经冷却至25℃后送至产品槽；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供气相流，塔釜残液送至废热锅炉。第四节：精馏工艺流程草图及说明一、流程方案的选择1.生产流程方案的确定：原料主要有三个组分：C2°、C3＝、C3°，生产方案有两种：（见下图A，B）如任务书规定：C2°C3＝C3°iC4°iC4＝∑W%5.0073.2020.800.520.48100（A）CC3。3=C3。2C。C3=（B）。C3=C3原料C2。原料图（A）为按挥发度递减顺序采出，图（B）为按挥发度递增顺序采出。在基本有机化工生产过程中，按挥发度递减的顺序依次采出馏分的流程较常见。因各组分采出之前只需一次汽化和冷凝，即可得到产品。而图（B）所示方法中，除最难挥发组分外。其它组分在采出前需经过多次汽化和冷凝才能得到产品，能量（热量和冷量）消耗大。并且，由于物料的内循环增多，使物料处理量加大，塔径也相应加大，再沸器、冷凝器的传热面积相应加大，设备投资费用大，公用工程消耗增多，故应选用图（A）所示的是生产方案。2.工艺流程分离法的选择：在工艺流程方面，主要有深冷分离和常温加压分离法。脱乙烷塔，丙烯精制塔采用常温加压分离法。因为C2，C3在常压下沸点较低呈气态采用加压精馏沸点可提高，这样就无须冷冻设备，可使用一般水为冷却介质，操作比较方便工艺简单，而且就精馏过程而言,获得高压比获得低温在设备和能量消耗方面更为经济一些，但高压会使釜温增加，引起重组分的聚合，使烃的相对挥发度降低，分离难度加大。可是深冷分离法需采用制冷剂来得到低温，采用闭式热泵流程，将精馏塔和制冷循环结合起来，工艺流程复杂。综合考滤故选用常温加压分离法流程。二、工艺特点：1、脱乙烷塔：根据原料组成及计算:精馏段只设四块浮伐塔板,塔顶采用分凝器、全回流操作2、丙烯精制塔：混合物借精馏法进行分离时它的难易程度取决于混合物的沸点差即取决于他们的相对挥发度丙烷－丙烯的沸点仅相差5—6℃所以他们的分离很困难,在实际分离中为了能够用冷却水来冷凝丙烯的蒸气经常把C3馏分加压到20大气压下操作，丙烷－丙烯相对挥发度几乎接近于1在这种情况下，至少需要120块塔板才能达到分离目的。建造这样多板数的塔，高度在45米以上是很不容易的，因而通常多以两塔串连应用，以降低塔的高度。三、操作特点：1、压力：采用不凝气外排来调节塔内压力，在其他条件不变的情况下，不凝气排放量越大、塔压越低：不凝气排放量越小、塔压越高。正常情况下压力调节主要靠调节伐自动调节。2、塔低温度：恒压下，塔低温度是调节产品质量的主要手段，釜温是釜压和物料组成决定的，塔低温度主要靠重沸器加热汽来控制。当塔低温度低于规定值时，应加大蒸汽用量以提高釜液的汽化率塔低温度高于规定值时，操作亦反。四、改革措施：丙烯精制塔顶冷却器由四台串联改为两台并联，且每台冷却器设计时采用的材质较好，管束较多，传热效果好。五、设想：若本装置采用DCS控制操作系统，这样可以使操作者一目了然，可以达到集中管理，分散控制的目的。能够使信息反馈及时，使装置平稳操作，提高工作效率。为了降低能耗丙烯塔可以采用空冷。第五节：精馏工艺计算及主体设备设计精馏塔的工艺设计计算，包括塔高、塔径、塔板各部分尺寸的设计计算，塔板的布置，塔板流体力学性能的校核及绘出塔板的性能负荷图。1物料衡算与操作线方程通过全塔物料衡算，可以求出精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系。物料衡算主要解决以下问题：（1）根据设计任务所给定的处理原料量、原料浓度及分离要求（塔顶、塔底产品的浓度）计算出每小时塔顶、塔底的产量；（2）在加料热状态q和回流比R选定后，分别算出精馏段和提馏段的上升蒸汽量和下降液体量；（3）写出精馏段和提馏段的操作线方程，通过物料衡算可以确定精馏塔中各股物料的流量和组成情况，塔内各段的上升蒸汽量和下降液体量，为计算理论板数以及塔径和塔板结构参数提供依据。通常，原料量和产量都以kg/h或吨/年来表示，但在理想板计算时均须转换为kmol/h。在设计时，汽液流量又须用m3/s来表示。因此要注意不同的场合应使用不同的流量单位。2、塔物料衡算F=D+WFXf=DXD+WXw则代入数据为64=D+W64*65%=D*98%+W*2%解得D=42.09375kmol/h，W=21.90625kmol/h塔内气、液相流量精馏段：L=RD,V=L+D提留段：L’=L+F,V’=V3.热量衡算再沸器热流量：qr=V’rv再沸器加热蒸汽质量流量：Gr=Qr/rR冷凝器热流量：Qc=Vrv冷凝器冷却剂的质量流量：Gc=Qc/Cv(t1-t2)塔板数的计算相对挥发度利用试差法求相对挥发度表压P=1620kpa,则塔顶绝压Ptop=1.62+0.101325=1.721325kpaLnPA’=15.7027-1807.53/316.1-26.15PA’=12948.48mmHg=1726.373kpa同理得PB’=10830.29mmHg=1443.921kpaYA=P-PB’/(PA’-PB’)=0.982KA=PA’/P=1.002933XA=yA/KA=0.982/1.002933=0.977同理得yB=0.02,KB=0.838842,XB=yB/KB=0.024∑X=yA/KA+yB/KB=1.000977∑y-1=1.000977-1=0.0009770.001,符合要求故塔顶温度Ttop=316.1K塔顶挥发度阿aAB=KA/KB=1.002933/0.838842=1.19561.塔底挥发度a’AB由xn=yn/[a-(a-1)yn]得，xn=0.97618查资料得表如下：液相组分质量分数为WA=0.97507，WB=0.02493塔顶液相密度为471.2535kg/m3气相密度为28.03kg/m3设理论塔板数位NT=150，设每块塔板上的压降为100mm液柱。经计算得latm=21.94mm液柱塔底压力P=Ptop+NT*100mm=1790.599kpa设塔底温度为326.0K由lnPA’=A-B/(T+C)得,lnPA’=15.7027-1807.53/(326.0-26.15)PA’=15908,14mmHg=2120.91kpa同理得PB’=13385.06mmHg=1784.527kpa所以XA=P-PB’/PA’-PB’=0.996609,yB=0.976677所以，塔底温度为326.0KaAB=KA/KB=1.18447/0.996609=1.1885192057.12/aaatop2.计算回流比R由相平衡方程ye=axe/[1+(a-1)xe]和q线方程q=1,计算得xe=0.65时，ye=0.6888Rmin=XD-ye/ye-xe=7.496则R=1.2，Rmin=8.993.计算精馏段操作方程精馏段操作线方程yn+1=R/R+1*xn+XD/R+1代入数据得该精馏操作方程为yn+1=0.9000xn+0.09814.计算塔板数经过模拟计算得所需理论板数为NT=95理论进料板位置Nf=44已知总办效率为ET=0.6进料板位置Nf/0.6=73所以实际塔板数为Np=(NT-1)/ET=(95-1)/0.6=155实际塔板数和初设塔板数150比较接近，故所设值比较合理。5.塔径计算两相流动参数=Ls/Vs*√(p1/pv)=0.2195设间距Ht=0.45m,查图知C20=0.062气体负荷因子C=C20（ó/20）{0.2方}=0.0465液泛气速Uf=C√(pL-pv/pv)=0.1850/su/Uf=0.64,则u=0.1184m/s则流道截面积A=Vs/u=1.3849m2孔隙率Ad/At=0.10,A/At=1-Ad/At=0.90则At=1.4096/0.90=1.5632塔径D=√（4At/）=1.4m查表知D=1.4，Ht=0.45,与设的吻合，则合理。6.塔高计算实际板数为155，塔有效高度Z=0.45*155=69.75m釜液流出量W=21.90625kom/h=1072.08kg/h=0.2978kg/s则釜液高度△Z=4W/(*D*D)=0.28m143块塔板，共设8个人孔，每个人孔处板间距增大200mm进料板板间距增大100mm裙坐取3m塔顶与釜液上方气液分离高度取1.5m塔顶与釜液上方气液分离空间高度均取1.5m总塔高Z=69.75+0.28+0.1+8*0.2+1.5*2=74.73m7.溢流装置设计计算弓形降液管所占面积Ad=At-A=0.15386Lw/D=0.73,降液管宽度Bd=D(1-√[1-(Lw/d)*(Lw/d)])/2=0.2216m取底隙h=0.45m确定堰长Lw=D*0.73=1.4*0.73=1.022m堰上液头高How=2.84*0.001E(Lh/Lw)2/3=0.